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yabo88在哪下载|能源监测在直流系统中的作用

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0 引言电池供电类设备存在已久。然而自手机问世以来,由可充电电池供电的设备数量在过去二十年呈现出指数

0简介

电池电源设备已经存在很长时间了。但是,手机问世以来,用可充电电池供应的设备数量在过去20年里呈指数级增长。到2018年,数以千计的手机、平板电脑、笔记本电脑和其他小型家电都在使用锂电池。

功耗对所有便携式设备来说是一个非常重要的因素。硬件开发人员越来越重视增加功能、减小尺寸、降低成本,同时实现低功耗方案。软件开发人员也试图以现有算法为起点,为操作系统领域(即能源监控日程)和新兴领域(如机器学习)开发新的电力监控方法,从而降低功耗。电力是指瞬间消耗的能量。从公式1可以看出,在电学中,电力等于瞬间电压和电流的乘积。功率单位为瓦(w),表示“焦耳每秒”。

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公式1-电力公式

能量等于功率和时间的乘积。电路消耗能量,电池储存能量。电力管理通常是指为了满足电力传输容量和负载条件,对瞬时电流和电压进行管理。能源监控通常提供有关能源消耗的信息,使开发人员能够执行电池管理和总体电源基准测试。通过专门设计的软件监控能源,以便根据特定负载采取适当的措施,启动主动能源管理。

根据预定义的设置,可以自动执行预定义的能源管理,也可以在软件启动时手动执行,这是用于向用户提供特定建议的。例如,大部分笔记本电脑在使用电池而不是交流电源运行时,处理器性能会自动下降,并切换到低功耗、低性能的集成图形处理器,而不是专用处理器。可以关闭笔记本电脑的部分外围设备,延长电池寿命,用户可以收到降低屏幕亮度或使键盘背光变暗的通知。大部分智能手机提供多种节能选项,如果电池电力下降到特定水平,活动能源管理将提出断开部分现有互联网连接、降低屏幕亮度等节能选项的使用建议。

但是,类似的情况不限于电池电源设备。服务器将仔细监控功耗和负载水平,以确定是否可以完全停止或暂停特定服务。虚拟服务器可以根据总电流使用情况和统计预测的使用情况来增加或减少应用程序。对于这些服务器,您可以使用虚拟机管理程序完全关闭某些虚拟机的电源。调试时也可以使用活动能源管理。能源监控提供了非常有效的信息,可确保整个系统或部分系统在定义的范围内工作。

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图1分压器电路

1用于直流功率和能量测量的电路

如上所述,电力是电压和电流的乘积。要想准确测量动力,就要准确测量电压和电流。在一段时间内测量动力,累计结果,就能获得能量。功耗在大多数情况下是不变的,因此必须使用选定的测量带宽来测量此范围内的电压和电流。

直流电压测量电路的典型示例是图1左侧所示的简单分压器和右侧图1所示的缓冲分压器。两个电路都可以通过适当的校准提供准确的测量结果。缓冲的分压器比无缓冲的分压器成本高,但通常功耗低。特别适用于测量非常低的直流信号。

霍尔效应也可以测量电流(包括直流电流),但本文的重点是使用分流电阻测量直流电流。这是因为后者使用更多,费用低廉。分流电阻是连接电路的低电阻电阻。电流通过分流电阻时,分流电阻两端会产生小压差。该压差与电流成正比,如公式2所示,通常使用运算放大器放大。

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式2- 分流电阻两端的压差

由于分流电阻与电路的其余部分串联,因此可以连接在任意一侧:上桥臂(分流电阻的一个端子直接连接总线电压),或者下桥臂(分流电阻的一个端子接地),如图2 所示。在这两种情况下,分流电阻都会出现一个小的压差,电路的总电压会降低。但是,分流电阻的连接位置会有一些影响,简述如下。

● 如果分流电阻放在下桥臂(图2 右侧),其两端的电压将直接接地。由于分流电阻通常很小,其两端的压差也很小,因此电流测量电路使用便宜的低压运算放大器即可非常方便地放大压差。这对于缩减成本很有帮助。但下桥臂分流有一个明显的不足,即整个电路不再直接接地,而是连接高于接地端电压的位置。分流电阻两端的压差通常以毫伏计。

● 如果将分流电阻连接在上桥臂(图2 左侧),则电路直接接地,可消除地弹反射效应。如果要对电路进行精确测量或必须提供精确的输出,则应选用此连接方法。此方法的唯一缺点是需要使用电压更高的差分运算放大器电路,并且视运算放大器的带宽而定,费用也可能会增加。

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图2 电流测量电路

尽管电压、电流甚至功率本身都可以通过模拟电路轻松测量,而且成本很低,但能量测量却需要使用更复杂的电路来实现。然而,传统的能量测量方法是使用模拟电路测量电压和电流,然后使用模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号,将数据输出到单片机。单片机的作用是对信号随时间累加的功率进行采样,从而实现能量测量。测量能量的典型电路如图3 所示。

在测量电路中增加单片机既有优点也有缺点。一方面,在算法计算、监视不同行为和进行更详细的报告方面具有很大的灵活性,例如每小时、每天等。此外,单片机的作用不仅限于能量测量,还可以触发事件、运行自定义状态机或满足工程师的任何需求。而如果系统原本就需要使用单片机,则成本和物料清单(BOM)的增加并不是问题。另一方面,使用单片机监测能量的缺点则是测量系统的总功耗、令人讨厌的代码开发工作和开销成本都会增加,而且视精度要求而定,有时可能还需要外部ADC。

多年来,随着业界对直流能量监测功能的需求不断增长,多种面向此类应用的集成电路相继问世。例如Microchip 的PAC1934 集成电路。此类集成电路只需使用分流电阻作为外部元件,即可轻松地同时对多达4 个通道进行采样。基本电路图如图4 所示。电路中集成了运算放大器、ADC、算术运算逻辑、存储器和用于连接系统的标准接口(通常为I2C 或SPI)。

与传统方法相比,使用集成电路的优势在成本方面尤为明显,这是因为在一个集成电路中集成了能量测量所需的一切,使BOM 和PCB 尺寸显著降低。

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图3 典型的能量测量电路

2 主动能量监测的优势

凭借适合大多数用例的灵活配置,专用集成电路能够以极低的功耗在长时段内累加功率。通常,功率采样率最低为每秒8 次采样,最高可达1 KSPS。例如,PAC1934 以8 SPS 运行时,可以累加超过36 小时的功率,并且电流小于16 μA,同时4 个通道全部有效且以16 位的分辨率运行,无需软件干预。此方法允许采样率动态变化,从而可以扩大应用范围。例如在标准笔记本电脑中使用集成电路监测电源轨。当笔记本电脑处于运行和活动状态时,能够以1 024 SPS 的采样率进行监测,而当笔记本电脑处于挂起状态时,监测速度可能降到8 SPS,因为在挂起状态下,功耗不会有太大的波动。此外,降低采样率可以减少能量监测的功耗,而不会影响性能。

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主动能量监测最常见的一个用例是电池电量计量。专用集成电路可监测电池的电压和电流,随时获知当前电池电量。更先进的电池电量计还可以检测到电池遇到了特定问题,例如电量计可以跟踪电池的电压与电量的关系,如果二者之间不再有对应关系,则意味着电池的总容量因老化或其他因素而缩减。主动能量监测也是标准电池管理系统(BMS)的核心。BMS 是多节电池组所使用的电路,负责对电池组进行安全充电和放电,并主动测量其电压和电流,确保每节电池的参数都相同。BMS 的功能还包括检测故障电池,或在电压过高或过低时断开电池组。

主动能量监测的另一个常见应用是与智能手机和平板电脑上的操作系统以及笔记本电脑、计算机和服务器上的Linux® 或Microsoft Windows® 搭配使用。

对于智能手机和平板电脑,操作系统通过各种方法监测不同服务和应用程序所消耗的电量。在早期阶段,系统不直接测量能量,而是使用表格数据获取各个工作点的功耗,基于CPU、GPU 和屏幕使用情况估算能量。估算出的能耗数据以统计数据的形式报告,便于用户决定如何进一步操作设备。自Windows 8 起,Microsoft 在笔记本电脑和个人计算机中引入了能量估计引擎(Energy Estimation Engine,E3)。E3 早期阶段的工作原理与智能手机中的估算算法类似,能够根据各种资源的使用情况(处理器、图形、磁盘、存储器、网络和显示器等)来估算每项任务的功耗,从而实现功耗跟踪。E3 还引入了能量计量接口(EMI),系统制造商可以通过该接口为系统添加实际可用的能量测量传感器,并进行相应声明。如果加入了此类传感器,E3 会利用这些传感器准确地测量功率和能量,而不是只进行估算。某些笔记本电脑制造商已在其产品中实现了这些功能。此外,过去还存在一些其他的方法(例如Sony 在Vaio 笔记本中实现的能量监测),但没有支持这些方法的操作系统,只有专有应用程序才能访问相关数据。Linux 尚未提供与Microsoft E3 相当的工具,但据报道称,他们已着手进行相关工作。

工业I/O 子系统[1] 支持在操作系统中加入各种传感器,为用户空间的应用程序提供非常简单且功能强大的接口(基于文件的接口)。然而,在本文撰写之时,工业I/O 子系统仍是内核的扩展,而不是默认Linux 架构的组成部分。Linux 还支持能量监测调度[2] 和智能功率分配,这是一种用于嵌入式Linux 领域的算法,可帮助系统决定如何调度不同的任务,同时对热问题予以考量(能耗导致CPU/GPU 发热)。

能量测量集成电路的另一个值得关注的应用,是对USB 功率和能量(出于各种原因)[1-3] 以及在服务器应用程序中的使用情况进行监测,如本文第一部分所述。由于服务器采用不间断运行的设计,因此监测能耗有很多好处,例如可通过主动服务控制提高总体电源效率,能满足越来越高的能效标准[4],允许系统管理员在服务器的某些部分出现功耗异常(表示未来可能发生故障)时执行预测性维护。

3 总结

就能量监测的需求以及系统需要执行的其他功能而论,某些方法可能比其他方法更适用。如果嵌入式系统是根据自身用途专门构建,并且需要了解自身功耗或估算能耗,则传统方法更适用。我们还建议在单片机中加入内部ADC,以便最大限度缩减能量监测功能的成本。采用这种方法,只需要使用进行电压和电流检测的外部模拟电路。如果需要非常高的测量精度而不计BOM 成本和功耗,则传统方法比集成电路更适用。

但在很多情况下,更适合采用集成电路方法。例如,如果想要在操作系统中集成能量测量,就适合采用集成电路方法,因为集成解决方案就是为解决这一问题而构建,通过适当的驱动程序,系统能自动识别出能量测量并知道如何操作。能量测量集成电路通常可以测量多个通道(从而监测多条总线),因此,在需要监测大量总线时,集成解决方案具备明显优势。

此外,同一条通信总线上可以使用多个集成电路(例如I2C 或SPI)。另一个更适合采用集成解决方案的情形是,在系统处于功耗极低的睡眠模式或完全关闭的情况下,在较长的一段时间内测量能量。集成的能量监测芯片仅消耗极少的功率,并能在特定时段内自行累加能量,无需任何系统干预,而这正是实现集成解决方案的基础。

对于有较高尺寸要求的高度集成化和密集型PCB(例如手机、平板电脑或笔记本电脑的主板),与等效的分立元件相比,集成电路占用的空间显然更小。

例如,在WLCSP(晶圆级芯片封装)尺寸的芯片(大小为2.225 mm×2.17 mm)中,包含一个能同时监测四个通道的能量测量集成电路。

参考文献:

[1] The Linux driver implementer’s API guide:Industrial I/O[EB/OL].[2015].https://www.kernel.org/doc/html/v4.16/driver-api/iio/index.html.

[2] Energy Aware Scheduling (EAS)[R/OL].https://developer.arm.com/open-source/energy-aware-scheduling.

[3] GEERLING J.Review: Satechi USB Type-C inline PowerMeter (ST-TCPM)[R/OL].[2017-2-5].https://www.jeffgeerling.com/blog/2017/review-satechi-usb-type-c-inline-powermeter-st-tcpm.

[4] https://www.energystar.gov.

(本文来源于《电子产品世界》杂志社2021年2月期)

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